Pozaziemska służba zdrowia

Przewidywana komercjalizacja Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w 2023 r. otwiera szereg możliwości badawczo-rozwojowych dla sektora prywatnego i nasila konkurencję już dziś. Kto będzie miał pierwszeństwo, jakie prawa będą regulowały wykorzystywanie poszczególnych części bazy? Kto będzie mógł przeprowadzać eksperymenty i analizy eksperckie na orbicie? Czy nadal warunki selekcji astronautów będą tak wymagające?

Katarakta i redukcja masy tkanki kostnej

Od lat 60. ludzie latają w kosmos, a lekarze i naukowcy zdobywają cenną wiedzę i inspiracje do zapewnienia bezpieczeństwa załogi statku kosmicznego. Obecnie ok. 530 osób z ponad 38 krajów wyruszyło na podbój Wszechświata, w tym ponad 50 kobiet. Poza orbitę ziemską podróżowały 24 osoby, a 12 stanęło na Księżycu. Wszystkie te osoby były selekcjonowane, wszechstronnie badane medycznie przed, w trakcie i po powrocie z misji kosmicznych. Dane z tych badań stały się cennym źródłem wiedzy na temat zachowania organizmu człowieka w warunkach ekstremalnych, w szczególności zdolności jego transformacji na poziomach molekularnym, komórkowym, fizjologicznym i behawioralnym. Transformacje te to nie tyle choroby wywołane niespotykanym dotąd środowiskiem, ile adaptacje organizmu do nowych warunków. Ciekawym aspektem jest również ponowna adaptacja do warunków ziemskich. Przykładowo – w mikrograwitacji astronauci zatracają odruch ochrony głowy rękoma przed upadkiem, a po powrocie na ziemię muszą ponownie uczyć się ją osłaniać (prywatna rozmowa z kanadyjską astronautką – pierwszym neurobiologiem w kosmosie Robertą Bondar).

Termin medycyna kosmiczna powstał już w 1948 r. Jego twórcą jest kontrowersyjny prof. Hubertus Strughold, jeden z twórców skafandra pierwszych amerykańskich astronautów, ale również człowiek, który eksperymentował na więźniach obozu koncentracyjnego w Dachau. Kluczowym elementem rozwoju medycyny kosmicznej jest badanie, w jakim stanie i jak długo ludzie mogą przeżyć w ekstremalnych warunkach, a następnie jak szybko potrafią się ponownie zaadaptować do warunków ziemskich. W mikrograwitacji i przy zwiększonym natężeniu promieniowania kosmicznego następuje redukcja tkanek, płynów ustrojowych i organów, w tym również ich uszkodzenia. Katarakta czy redukcja masy tkanki kostnej są dobrze udokumentowanymi konsekwencjami pobytu poza Ziemią.

Bezwarunkowa potrzeba rozwoju

Żyjemy w czasach wychodzenia z kolebki rodzimej planety, kiedy zachodzi potrzeba, aby ludzie coraz dłużej mogli przebywać w kosmosie i podejmować wyzwania eksploracyjne. Kopalnie na asteroidach wydają się realną przyszłością sektora wydobywania surowców naturalnych. Asteroidy i inne ciała niebieskie zdają się pod tym względem bardziej bezpieczne i opłacalne w porównaniu z eksploracją surowców z naturalnych głębin naszej planety. Amerykanie planują niebawem wysłać pierwszych ludzi na Marsa, a Europa i Chiny chcą zbudować habitaty na Księżycu. Przedsięwzięcia te narzucają bezwarunkową potrzebę rozwoju medycyny kosmicznej.

Tematem podlegającym etycznej krytyce jest narażanie astronautów na szkodliwe warunki, co ma poważne konsekwencje w dalszym życiu. Na podstawie badań z łazika marsjańskiego Curiosity stwierdzono, że średnia dawka promieniowania w trakcie 180-dniowej podróży na Czerwoną Planetę to 300 mSv (milisiwertów) – równowartość 24 prześwietleń radiologicznych. Obecnie uważa się, że dawka ta wywoła przekroczenie limitów bezpieczeństwa, co sprzyja rozwojowi nowotworów. Napromieniowanie to nie jedyne zagrożenie dla ludzi przebywających poza Ziemią. Aby umożliwić dłuższy pobyt człowieka w kosmosie (obecnie rekord nieprzerwanego pobytu na orbicie to 14 miesięcy), amerykańska agencja kosmiczna NASA zainwestowała w badania i aplikacje medycyny prewencyjnej, gdzie profilaktyka dotyczy nie tylko patologii, lecz także traumy. Członek załogi kosmicznej jest zagrożony stresem wywołanym misją, ale również świadomością braku możliwości zapewnienia pełnej opieki medycznej i leczenia na pokładzie statku. Wynikające z tych faktów obciążenie psychologiczne może doprowadzić do cięższych manifestacji chorób w kosmosie, niż miałoby to miejsce w warunkach ziemskich. Sytuacja jest potencjalnie niebezpieczna dla wszystkich członków załogi. Mały, zamknięty system ekologiczny sprzyja przenoszeniu patogenów. Nawet jeśli choroba nie jest zakaźna, bezpieczeństwo załogi może być zagrożone przez utratę aktywności chorego członka zespołu. Astronauci muszą go zastąpić, obciążając się dodatkowo, zwłaszcza jeśli czynności operacyjne misji są trudne i wymagają pracy eksperta. Choroba członka załogi może spowodować konieczność przedłużenia misji, zwiększenia procedur operacyjnych i bardziej złożonych procesów. Nie tylko zdrowie i bezpieczeństwo powodzenia misji jest zmniejszone. Przerwanie misji i powrót na Ziemię ze względu na chorego w innym czasie niż zaplanowano wiąże się z konsekwencjami ekonomicznymi oraz zwiększonym ryzykiem wywołanym krótkim czasem na planowanie misji ewakuacyjnej. Na potrzeby minimalizacji tego typu zagrożenia w trakcie załogowych lotów kosmicznych stworzono kompleksowy zestaw pomocy medycznej zawierający dwa oddzielne podsystemy: MBK (Medications and Bandage Kit) oraz EMK (Emergency Medical Kit). System MBK zawiera tabletki, kapsułki i czopki, bandaże, leki działające miejscowo, natomiast EMK zestaw środków do wstrzykiwania, narzędzia do przeprowadzania prostych operacji chirurgicznych, środki diagnostyczne i terapeutyczne oraz testy mikrobiologiczne.

Czy jest osteopenią?

Poza ryzykiem choroby astronauci doświadczają standardowych zaburzeń i niedogodności wynikających z pobytu w kosmosie. Do zaburzeń fizjologicznych zalicza się między innymi spadek odporności immunologicznej, co oznacza, że wirusy obecne w organizmie człowieka mogą się łatwiej uaktywniać. Białe krwinki, zwane limfocytami T, odpowiedzialne za reakcję immunologiczną tracą swoją aktywność i przestają się prawidłowo mnożyć w mikrograwitacji. Astronauci często mają objawy przemęczenia, zaburzenia snu, a nawet cierpią na bezsenność. Desynchronizacja zegara biologicznego, w tym brak naturalnego cyklicznego oświetlenia, wywołuje problemy z rytmiką okołodobową procesów życiowych. Obecnie znanych jest kilka metod leczenia bezsenności. Powszechnie stosowanym środkiem jest melatonina albo stosunkowo niedawno odkryty lek Ramelteon – antagonista receptora melatoniny. Badania nad wydajnością Ramelteonu i jego efektami ubocznymi nie są jeszcze zakończone. Alternatywnie sen może być regulowany barbituranami i benzodiazepinami, ale wywołują one efekty uboczne wpływające na osłabienie jakości pracy, zwłaszcza w godzinach porannych. Wydaje się, że zolpidem i zopiklon, znane jako Ambien i Lunesta, są jednymi ze skuteczniejszych leków dla astronautów, zwłaszcza że nie wywołują znaczących skutków ubocznych. Modafinil, poza leczeniem bezsenności, stosowany jest w celu eliminacji zmęczenia, zwłaszcza w trakcie krytycznych prac, w sytuacji wysokiego ryzyka, kiedy astronauci muszą być szczególnie skupieni. W mikrograwitacji astronauci tracą ok. 22 proc. objętości krwi, co wywołuje atrofię serca i obniżenie ciśnienia wpływające na zaburzenia dotlenienia mózgu, objawiające się zawrotami głowy i złym samopoczuciem. W celu zapobiegania zawrotom głowy stosuje się midodrynę, która czasowo zwiększa ciśnienie krwi i poprawia samopoczucie.

Problemy z równowagą w mikrograwitacji mijają stosunkowo szybko ze względu na adaptację błędnika i centrów lokomocyjnych mózgu – po ok. 3 dniach (aczkolwiek u różnych osób adaptacja ta zachodzi inaczej). Poważniejszym problemem jest utrata tkanki kostnej, zwana osteopenią – 3–4-miesięczny pobyt w mikrograwitacji wymaga ok. 2–3 lat regeneracji ubytków w kościach. Jest na to sposób. Okres regeneracji da się skrócić dzięki stosowaniu diety bogatej w witaminę D i wapń, ćwiczeniom oraz terapii wibracyjnej stymulującej wzrost kości. Wiedza ta znalazła zastosowanie w leczeniu osteoporozy. Jeśli chodzi o atrofię mięśni, astronauci pracujący w Międzynarodowej Stacji Kosmicznej muszą trenować 2 godziny dziennie i przyjmować suplementy hormonalne (hGH), aby po wylądowaniu na Ziemi być w stanie poruszać się o własnych siłach. Przenikające promieniowanie kosmiczne prowadzi do niszczenia białek soczewki oka zwanych krystalinami. Proces ten w latach późniejszych wywołuje zaćmę (kataraktę). Badania nad kataraktą astronautów znacznie przyczyniły się do rozwoju implantów soczewek i leczenia tego schorzenia. Przebywanie w środowisku kosmicznym wiąże się również z narażeniem na utratę zdolności umysłowych i zwiększonym ryzykiem rozwoju choroby Alzheimera, co może znacząco zagrażać realizowanym misjom. Wciąż stoimy przed wyzwaniem, jakim jest opracowanie optymalnie działających leków.

Badania nad zdrowiem astronautów na orbicie prowadzą do poznania procesów fizjologicznych i rozwoju medycyny, co pozwala poprawić komfort życia na Ziemi. Do pozytywnych efektów badań nad zdrowiem astronautów zalicza się między innymi walkę z osteoporozą, bezsennością, zaburzeniami odporności, nudnościami i procesami starzenia.

Środowisko kosmiczne nie zawsze musi się kojarzyć ze stresem i niedogodnościami. Wiążą się z nim również pewne profity. Okazuje się, że przebywanie w warunkach obniżonego ciążenia może przedłużać życie. Naukowcy z Uniwersytetu Nottingham, badając przyczyny utraty tkanki mięśniowej przez nicienie C. elegans, zaobserwowali w ich mięśniach redukcję białek odpowiedzialnych za procesy starzenia. Jeden z siedmiu wyciszanych w mikrograwitacji genów jest odpowiedzialny za produkcję insuliny. Co ciekawe, hormon ten ma istotny wpływ na długość życia nicieni, muszek owocowych i myszy. Insulina, jak również inne białka, została przebadana w kosmosie pod względem krystalizacji. Powszechnie wiadomo, że kryształy rosną bardziej regularne, kiedy są pozbawione zaburzeń mechanicznych ze środowiska zewnętrznego. Mikrograwitacja to idealne środowisko do wzrostu kryształów. Rosną one większe i bardziej regularne, co pozwala na wykonanie precyzyjnych badań krystalograficznych w celu dokładnego określenia ich budowy molekularnej. Kosmiczna insulina jest dodatkowo bardziej przyswajalna dla organizmu niż ta wyprodukowana na Ziemi. Również hodowle komórkowe i tkankowe w mikrograwitacji rosną podobnie jak w naturze, nie rozpłaszczają się na medium odżywczym, nie sedymentują, przez co nie zmieniają swoich naturalnych kształtów. W przyszłości tworzone w ten sposób biomateriały będą bardziej przyswajalne w transplantologii.

Medycyna kosmiczna źródłem innowacji i postępu

Rozwój technologii kosmicznych służy nie tylko zapewnieniu bezpieczeństwa astronautom, ale wiąże się również z wdrażaniem na Ziemi ułatwionej opieki zdrowotnej, między innymi dla seniorów. Ułatwienia te to coraz mniej inwazyjne systemy telemetryczne, zdalna komunikacja z pacjentem, e-diagnostyka czy przyjazne urządzenia do rehabilitacji. Niestandardowość środowiska na orbicie inspiruje do globalnego rozwoju medycyny światowej. Jest to niezaprzeczalny fakt, jako że nowe potrzeby samoistnie generują innowacje i postęp technologiczny. W dziedzinie onkologii rozwijana jest neutronowa terapia napromieniowania zmian rakowych. NASA opracowała przenośne, składane, mieszczące się w bagażniku samochodowym i łatwe w obsłudze chodziki i wózki inwalidzkie dla niepełnosprawnych. Rozwój syntezatorów mowy dla pilotów umożliwił wzbogacenie wózków inwalidzkich w funkcję mowy dla osób sparaliżowanych mających trudności z mówieniem. Rozwijana terapia nieważkości pozwala osobom z ograniczoną mobilnością w warunkach ziemskich na swobodę ruchów w przypadku braku grawitacji. Znany fizyk Stephen Hawking doświadczył nieważkości w locie paraboidalnym w 2007 r. Ten udany eksperyment doprowadził do rozwoju antygrawitacyjnego urządzenia do rehabilitacji o nazwie anti-gravity treadmill. Z kolei pianka amortyzująca wykorzystywana przez astronautów w czasie przeciążeń znalazła zastosowanie w produkowanych komercyjnie poduszkach i materacach do domów opieki i szpitali. Ich stosowanie zapobiega powstawaniu odleżyn. Pianka z frakcji ciekłokrystalicznej nie tylko odciąża organizm, lecz także wpływa na lepszy sen.

Opracowywane są indywidualne systemy alarmowania, czyli urządzenia awaryjne noszone przez osoby, które mogą wymagać pomocy medycznej w nagłych wypadkach. Po wciśnięciu przycisku urządzenie wysyła zdalnie sygnał o pomoc. System komunikacyjny urządzenia opiera się na telemetrii opracowanej przez NASA. Komunikatory EMS (Environmental Managment Systems) wykorzystywane w telemetrycznej komunikacji pomiędzy Ziemią i statkiem kosmicznym do monitoringu zdrowia astronautów z kontrolnych baz naziemnych znalazły zastosowanie w karetkach pogotowia. Monitoring pacjentów transportowanych do szpitala pozwala na przyspieszenie oceny stanu ich zdrowia. Bardziej zindywidualizowanym przykładem monitoringu są implanty rozruszników serca bazujące na technologiach satelitarnych. Rozrusznik przesyła zdalnie informacje dotyczące aktywności i czasu życia baterii. Podobnie implanty defibrylatora nieustannie monitorują aktywność serca, a w razie potrzeby stymulują elektrycznie celem przywrócenia prawidłowej akcji serca.

Nieinwazyjne metody obrazowania ludzkiego ciała, takie jak tomografia komputerowa i rezonans magnetyczny, są powszechnie wykorzystywane przez szpitale. Rozwój tych urządzeń nie byłby możliwy bez technologii dostarczonych przez NASA po wynalezieniu metody fotografowania Księżyca z większą rozdzielczością. Kolejną kosmiczną inspiracją mającą zastosowanie na Ziemi jest elektryczny stymulator mięśni, urządzenie wykorzystywane w rehabilitacji. Jego używanie przez pół godziny dziennie pozwala zapobiec zanikowi mięśni u osób sparaliżowanych. Zabieg stymulatorem równoważy pracę mięśni przy joggingu na dystansie 3 mil tygodniowo. Powstają zautomatyzowane urządzenia ortopedyczne do utrzymywania właściwej postawy. Sprzęt do oceny postawy, zaburzeń równowagi i chodu został opracowany przez centra medyczne NASA. Użycie wibracji w tym systemie pozwoliło na nieinwazyjny pomiar elastyczności kości. Opracowano również nieinwazyjny monitoring cukrzycy poprzez rozwój techniki mapowania stopy cukrzycowej. Zaawansowane USG w mikrograwitacji, zdalnie sterowane przez ludzi z kontrolnej stacji naziemnej, mogłoby diagnozować setki medycznych przypadków. Możliwości techniki USG realizowane są również na Ziemi. Mowa o profesjonalnej diagnozie urazów w czasie sportów olimpijskich. Badania nad utylizacją śmieci w zamkniętych ekosystemach wzbogaciły aparaturę do dializy nerek w funkcje przetwarzania i usuwania toksyn z płynu dializacyjnego.

Ambitne wyzwania

Spadek masy ciała, kości i mięśni, problemy z utrzymaniem równowagi, zaburzenia snu, zmiany kardiowaskularne, osłabiona aktywność układu odpornościowego – wszystkie te problemy zdrowotne astronautów mają ludzie starsi, zatem badania dotyczące zdrowia w kosmosie są bezpośrednio związane z eliminacją procesów starzenia. Może nie każdy zdaje sobie z tego sprawę, ale obecnie stajemy się świadkami intensywnych badań nad nieśmiertelnością. Gorącym problemem opracowywanym w agencjach kosmicznych i firmach prywatnych jest również hibernacja i kontrolowana regulacja metabolizmu. W szczególności ten ostatni proces mógłby znacząco ułatwić podróż astronautów na Marsa. Dowiedziono bowiem, że organizm w czasie obniżonego metabolizmu jest mniej podatny na uszkodzenia wywołane radiacją, zużywa mniej energii i generuje mniej produktów przemiany materii.
Obecnie coraz więcej ośrodków naukowo-badawczych jest zainteresowanych rozwojem w stronę medycyny kosmicznej. Możliwość testowania leków na stacji orbitalnej oraz w wyspecjalizowanych laboratoriach naziemnych symulujących warunki kosmiczne otwiera szerokie perspektywy dla firm farmaceutycznych, uniwersytetów i klinik medycznych. Czy Polska znajdzie się wśród rozpoznawalnych ośrodków rozwojowych? Klaster PIKMED zaangażował się w rozwój medycyny kosmicznej w naszym kraju, będąc między innymi partnerem w projekcie budowy analogicznej stacji kosmicznej M.A.R.S. (Modular Analog Research Station) pod Tarnowem. Celem zaangażowania klastra w budowę bazy jest zapewnienie innowacyjnej aparatury medycznej na czas przeprowadzanych symulacji misji planetarnych. Baza kosmiczna w Polsce ma szansę być jedyną wyspecjalizowaną pod względem telemedycyny i telemetrii jednostką badawczą na świecie.

Artykuł Agaty Kołodziejczyk, wiceprezes Europejskiej Fundacji Kosmicznej, opublikowano w „Menedżerze Zdrowia” 4–5/2016.